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'''トンネル磁気抵抗効果'''（とんねるじきていこうこうか・{{lang-en-short|Tunnel Magneto Resistance Effect|TMR Effect}}）とは、'''磁気トンネル接合'''('''MTJ'''<!--Magnetic Tunnel Junction-->)[[素子]]において絶縁体を挟んでいる二層の強磁性体の磁化の向きによって[[電気抵抗]]が変化する現象であり、'''TMR効果'''とも呼ばれる。

一般的には、二層の強磁性体の磁化が同じ方向を向いている場合（平行状態）に抵抗は低く、お互いに反対の方向を向いている場合（反平行状態）には抵抗が高い。

== 原理 ==
'''MTJ素子'''は[[強磁性体|強磁性]]層の間に膜厚1 [[ナノメートル|nm]]程度の[[絶縁体]]層を挟み込む構造をしている。この[[接合]]面に対して垂直に[[電圧]]を印加すると[[トンネル効果]]に因って[[絶縁体]]層に[[電流]]が流れる。

ここでは、強磁性体1と強磁性体2が非常に薄い絶縁膜を挟んでおり、トンネル電流が流れるという状況を考える。

強磁性体では内部磁場によってアップスピン、ダウンスピン電子はそれぞれ異なるポテンシャルを感じてスピン分裂を起こしており、フェルミ準位近傍を占有するアップスピン電子とダウンスピン電子の状態密度が異なっている。

トンネルコンダクタンスは、フェルミ準位での状態密度の積のみに比例し、アップスピンとダウンスピン電子がそれぞれ独立にコンダクタンスに寄与するという一番簡単な仮定をおく。すなわち、全体としてのコンダクタンス <math>\Gamma</math>は

<math>\Gamma = \sum_{s_1, s_2} \alpha D_1^{s_1} D_2^{s_2}</math>

と表すことができるとする。ただし、<math>\alpha</math>は定数、 <math>s_1, s_2</math>はスピンの向き（↑または↓）、<math>D_1, D_2</math>は強磁性体1, 2 のフェルミ準位における状態密度と定義する。 磁化が平行状態のときには、アップスピン、ダウンスピン電子ともに強磁性体2には強磁性体1からの電子を受け入れるのに十分な状態密度が存在するため通常のトンネリングが起き、コンダクタンスは

<math>\Gamma_{\rm P} = \alpha (D_1^{\uparrow}D_2^{\uparrow}+D_1^{\downarrow}D_2^{\downarrow})</math>（平行状態）

となる。一方、反平行磁化状態のときは、強磁性体2には強磁性体1から注入された電子を受け入れるだけの状態密度が不足している。このため、コンダクタンスは

<math>\Gamma_{\rm AP} = \alpha (D_1^{\uparrow}D_2^{\downarrow}+D_1^{\downarrow}D_2^{\uparrow})</math>（反平行状態）

となる。したがって、これらのコンダクタンスには差が生じ、その大きさは、

<math>{\displaystyle \Gamma_{\rm P}- \Gamma_{\rm AP} =\alpha (D_{1}^{\uparrow } - D_{1}^{\downarrow })(D_{2}^{\uparrow } - D_{2}^{\downarrow })} > 0</math>

である。

'''TMR効果'''の大きさは'''トンネル磁気抵抗比'''（'''TMR比'''）で表される。これは磁化が反平行時の抵抗値と、平行時の抵抗値の比で定義される。これは2つの[[強磁性体]][[電極]]の[[伝導電子]]の[[スピン偏極]]率<math>P_{1}, P_{2}</math>を用いて表され、更に、[[電気抵抗]]は[[磁気抵抗]]の[[類推|アナロジー]]であるので{{要出典|date=2018年10月}}、磁化が[[平行]]時の低[[電気抵抗]]<math>R_{\rm P}</math>と磁化が反[[平行]]時の高[[電気抵抗]]<math>R_{\rm AP}</math>で書ける。

:<math>{\rm TMR_{ratio}} = \frac{R_{\rm AP} - R_{\rm P}}{R_{\rm P}} = \frac{\Gamma_{\rm P} - \Gamma_{\rm AP}}{\Gamma_{\rm AP}} = \frac{2 P_{1} P_{2}}{1 - P_{1} P_{2}} </math>
: <math>P_1 = \frac{D_1^{\uparrow} - D_1^{\downarrow}}{D_1^{\uparrow} + D_1^{\downarrow}}, P_2 = \frac{D_2^{\uparrow} - D_2^{\downarrow}}{D_2^{\uparrow} + D_2^{\downarrow}}</math>

[[強磁性体]]中の[[伝導電子]]は[[スピン偏極]]しているが、それぞれの磁化の方向を変えることで、[[トンネル効果|トンネル電流]]を変化させられる<ref name="大野英男3">{{Cite web|和書|url=http://www.ohno.riec.tohoku.ac.jp/japanese/forjunior2014/theme-files/Metal.htm|title=強磁性金属を用いたナノスピンメモリ|accessdate=2014-10-01|author=[[大野英男]]|last=|first=|authorlink=|date=|year=|month=|format=|work=|publisher=[[東北大学]]|page=|pages=|quote=|language=|archiveurl=|archivedate=|doi=|ref=}}</ref>。

TMR素子は磁場の[[ダイナミックレンジ]]がmTオーダーで、生体からの磁場の強度（pTオーダー）と比較して桁違いに大きいのが[[超伝導量子干渉素子]](SQUID)と比較して最大の利点となり、生体信号のような[[低周波]]の信号に対して適当な帯域[[フィルタ回路|フィルタ]]等を装着すれば、環境磁気ノイズを電気的に取り去ることができるため、大がかりな磁気[[シールドルーム]]が不要になり、センサを[[ウェアラブル]]化することで運動時の[[生体磁場]]の高分解能測定、長時間の測定など、特徴を生かした計測方法が考えられ、[[不整脈]]の原因部位の診断精度の向上、長時間計測による[[不整脈]]波の検出率の向上、運動負荷時の心臓異常磁場の計測や空間解像度の向上による[[心筋]]内の[[電位]]分布の描出、[[狭心症]]・[[心筋梗塞]]の早期発見のようにこれまでの[[心電計]]、[[心磁計]]では不可能であった様々なことが可能となる<ref name="jst3">{{Cite web|和書|url=https://www.jst.go.jp/pr/announce/20150723/index.html|title=室温で動作する高感度・高分解能の小型心磁計を開発|accessdate=2016-12-13|author=|date=2015年07月23日|publisher=[[科学技術振興機構]]|author2=|author3=|author4=}}</ref>。

=== 外部磁場印加方式 ===
[[強磁性体|強磁性]]層に外部から[[磁場]]が印加されて、それぞれの[[スピン偏極]]の方向を変える。
* [[平行]]に[[磁場]]を印加する場合
:双方の[[強磁性体|強磁性]]層の[[スピン偏極]]が同方向になり、[[トンネル効果|トンネル電流]]が感じる[[電気抵抗]]は低くなる。
* 反[[平行]]に[[磁場]]を印加する場合
:双方の[[強磁性体|強磁性]]層の[[スピン偏極]]が逆方向になり、[[トンネル効果|トンネル電流]]が感じる[[電気抵抗]]は高くなる。
この方法を[[磁気抵抗メモリ|MRAM]]に用いようとすると、[[消費電力]]が[[性能]]の向上に必須である[[集積回路#微細化|微細化]]に伴って増大してしまう。[[ハードディスクドライブ|HDD]]においては、[[記録密度]]の大幅に向上が期待される。また、[[コイル]]などの[[電磁誘導]]を用いた[[磁気記録]]の読み取り方式に比べて大幅な[[素子]]の[[集積回路#微細化|微細化]]が可能になる。

=== スピン注入磁化反転方式 ===
[[スピン偏極]]して参照層から流れる[[伝導電子]]と記録層の[[磁化]]の間の[[角運動量]]の授受に因って、記録層の[[磁化]]に[[トルク]]が作用して生じる[[強磁性体|磁化反転]]を利用する。なお、これは'''スピン注入磁化反転'''と呼ばれる。

これは、'''TMR'''[[素子]]の接合面積が小さくなると必要な[[電流]]を小さくできる[[冪乗則|スケーラブル]]な方式であるので、[[磁気抵抗メモリ|MRAM]]のような[[集積回路#微細化|微細化]]を必要とする場合に適している。

== 研究・開発 ==
* [[1975年]] [[鉄|Fe]]・[[ゲルマニウム|Ge]]・[[コバルト|Co]]の[[接合]][[膜]]において、'''TMR効果'''が初めて報告される。この接合膜の'''TMR比'''は14%である。<ref group="注釈" name="refrigeration">これは、[[ヘリウム|<sup>4</sup>He]]を用いてその[[沸点]]である4.2[[熱力学温度|K]]まで冷却する必要が有って応用に不向きであるとされた為に、当時は余り注目されなかった。</ref>
* [[1988年]] [[鉄|Fe]]・[[クロム|Cr]][[超格子|人工格子]]において、[[巨大磁気抵抗効果]]（GMR効果）が発見され、[[磁性体]][[素子]]の研究が盛んになる。
* [[1995年]] [[鉄|Fe]]・[[酸化アルミニウム|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]・[[鉄|Fe]]の接合膜で、[[室温]]で約20%という、従来より比較的大きな'''TMR比'''を持つ事が2つの研究グループでそれぞれ独立に発見される<ref name="東北大学_1">{{Cite journal|last=|first=|author=[[宮崎照宣|T. Miyazaki]]|authorlink=|coauthors=[[手束展規|N. Tezuka]]|date=1995|year=|month=|title=Giant magnetic tunneling effect in Fe/AlzO3/Fe junction|journal=[[Journal of Magnetism and Magnetic Materials]]|volume=|issue=139|page=|pages=231-234|publisher=[[エルゼビア|Elsevier]]|location=|issn=|doi=|naid=|id=|url=http://www.elsevierscitech.com/pdfs/miyazaki.pdf|format=PDF|accessdate=|quote=}}</ref><!--<ref name="マサチューセッツ工科大学">{{Cite journal|last=|first=|author=[[J. S. Moodera]]|authorlink=|coauthors=[[Lisa R. Kinder]] [[Terrilyn M. Wong]] [[R. Meservey]]|date=1995-04-17|year=|month=|title=Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions|journal=[[Phisical Review Letters]]|volume=74|issue=|page=|pages=3273-3276|publisher=[[アメリカ物理学会|American Physical Society]]|location=|issn=|doi=10.1103/PhysRevLett.74.3273|naid=|id=|url=http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.74.3273|format=|accessdate=|quote=}}</ref>--><ref name="マサチューセッツ工科大学">{{Cite journal|last=|first=|author=[[J. S. Moodera]]|authorlink=|coauthors=[[Lisa R. Kinder]] [[Terrilyn M. Wong]] [[R. Meservey]]|date=1995-04-17|year=|month=|title=Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions|journal=[[Phisical Review Letters]]|volume=74|issue=|page=|pages=3273-3276|publisher=[[アメリカ物理学会|American Physical Society]]|location=|issn=|doi=10.1103/PhysRevLett.74.3273|naid=|id=|url=http://master-mc.u-strasbg.fr/IMG/pdf/moodera_tmr_prl95.pdf|format=PDF|accessdate=|quote=}}</ref>。
* [[2004年]] [[酸化マグネシウム|MgO]][[単結晶]]を[[絶縁体]]層に用い<ref name="科学技術振興機構">{{Cite web|和書|url=http://www.jst.go.jp/kisoken/seika/zensen/09yuasa/index.html|title=次世代メモリーにブレークスルー|accessdate=2014-10-01|last=|first=|author=[[湯浅新治]]|authorlink=|date=|year=|month=|format=|work=[[基礎研究最前線]]|publisher=[[科学技術振興機構]]|page=|pages=|quote=|language=|archiveurl=|archivedate=|doi=|ref=}}</ref>て、[[室温]]で従来考えられていた理論限界を超える88%の'''TMR比'''が実現される<ref name="産業技術総合研究所_PR_1">{{Cite press release|和書|title=単結晶TMR(トンネル磁気抵抗)素子で世界最高性能を達成|publisher=[[産業技術総合研究所]]|date=2004年3月2日|url=https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2004/pr20040302/pr20040302.html|format=|language=|accessdate=|archiveurl=|archivedate=|quote=}}</ref><ref name="産業技術総合研究所_J_1">{{Cite journal|和書|last=|first=|author=[[湯浅新治]]|authorlink=|coauthors=[[長浜太郎]]・[[鈴木義茂]]・[[田村英一]]|date=200301|year=|month=|title=磁気トンネル接合のTMR 効果と共鳴トンネル効果|journal=[[日本物理学会誌]]|volume=58|issue=1|page=|pages=38-42|publisher=[[日本物理学会]]|location=|issn=|doi=|naid=|id=|url=http://www.jps.or.jp/books/gakkaishi/2003/01/581.html|format=|accessdate=|quote=}}</ref>。その後、障壁層の[[薄膜|膜]]質向上等に拠って、[[室温]]で230%の'''TMR比'''が実現される<ref name="産業技術総合研究所_PR_2">{{Cite press release|和書|title=世界最高性能TMR(トンネル磁気抵抗)素子の量産技術を開発|publisher=[[産業技術総合研究所]]|date=2004年9月7日|url=https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2004/pr20040907/pr20040907.html|format=|language=|accessdate=|archiveurl=|archivedate=|quote=}}</ref>。
* [[2007年]] (Co<sub>x</sub>Fe<sub>100-x</sub>)<sub>80</sub>B<sub>20</sub>・[[酸化マグネシウム|MgO]]・(Co<sub>x</sub>Fe<sub>100-x</sub>)<sub>80</sub>B<sub>20</sub>を用いて、500%の'''TMR比'''が実現される<!--<ref name="東北大学_2">{{Cite journal|last=|first=|author=[[Y. M. Lee]]|authorlink=|coauthors=[[J. Hayakawa]] [[S. Ikeda]] [[F. Matsukura]] [[大野英男|H. Ohno]]|date=2007|year=|month=|title=Effect of electrode composition on the tunnel magnetoresistance of pseudo-spin-valve magnetic tunnel junction with a MgO tunnel barrier|journal=[[Phisical Review Letters]]|volume=90|issue=|page=|pages=212507|publisher=[[アメリカ物理学会|American Physical Society]]|location=|issn=|doi=10.1063/1.2742576|naid=|id=|url=http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/90/21/10.1063/1.2742576|format=|accessdate=|quote=}}</ref>--><ref name="東北大学_2_PDF">{{Cite journal|last=|first=|author=[[Y. M. Lee]]|authorlink=|coauthors=[[J. Hayakawa]] [[S. Ikeda]] [[F. Matsukura]] [[大野英男|H. Ohno]]|date=2007|year=|month=|title=Effect of electrode composition on the tunnel magnetoresistance of pseudo-spin-valve magnetic tunnel junction with a MgO tunnel barrier|journal=[[Phisical Review Letters]]|volume=90|issue=|page=|pages=212507|publisher=[[アメリカ物理学会|American Physical Society]]|location=|issn=|doi=10.1063/1.2742576|naid=|id=|url=http://scitation.aip.org/deliver/fulltext/aip/journal/apl/90/21/1.2742576.pdf?itemId=/content/aip/journal/apl/90/21/10.1063/1.2742576&mimeType=pdf&containerItemId=content/aip/journal/apl|format=PDF|accessdate=|quote=}}</ref>。
* [[2015年]] [[東北大学]]および[[コニカミノルタ]]はトンネル磁気抵抗素子による[[心磁図|心臓磁場]]検出に世界で初めて成功した<ref name="ascii"/>。

== 実用 ==
各種の[[記憶装置]]に応用されている。
* [[磁気抵抗メモリ|MRAM]]
:小容量の組み込み品が商用化されている。
* [[ハードディスクドライブ|HDD]]
:[[磁気ディスク装置#磁気ヘッド|磁気ヘッド]]は[[巨大磁気抵抗効果|GMR]][[磁気ディスク装置#磁気ヘッド|ヘッド]]から'''TMR'''[[磁気ディスク装置#磁気ヘッド|ヘッド]]への移行を完了しつつある。
* [[心磁計]]
:従来は[[超伝導量子干渉素子]](SQUID)を使用していたが、その場合、[[液体ヘリウム]]で[[極低温]]に冷却しなければならなかったがその代替として冷却の不要なTMR素子の適用が考えられる<ref name="ascii">{{Cite web|和書|url=https://ascii.jp/elem/000/001/031/1031328/|title=液体ヘリウム不要、室温動作で心臓電流の磁場を拾うトンネル磁気抵抗素子 |accessdate=2016-12-13|author=行正和義 |author2= |author3= |author4= |date=2015年07月24日 |publisher=ASCII.jp}}</ref>。

== 関連項目 ==
{{columns-list|2|
* [[スピントロニクス]]
* [[巨大磁気抵抗効果]]
* [[計測工学]]
* [[制御工学]]
* [[電磁気学]]
* [[磁性体]]
* [[物性物理学]]
* [[ホール素子]]
* [[フラックス・ゲートセンサ]]
* [[磁気インピーダンス素子]]
* [[GSRセンサ]]
* [[磁気抵抗効果素子]]（MR：[[異方向性磁気抵抗効果|AMR]]、[[巨大磁気抵抗効果|GMR]]等）
* [[ウィーガント・ワイヤ]]
* [[プロトン磁力計]]
* [[光ポンピング磁力計]]
* [[ダイヤモンド窒素-空孔中心]]
* [[ファラデー効果|ファラデー素子]]（[[磁気光学効果|磁気光学素子]]）
* [[電気力学]]的磁気センサ（[[荷電粒子]]線）
* [[超伝導量子干渉計|超伝導量子干渉素子]]（SQUID）
}}

== 参考資料 ==
* {{Cite web|和書|url=http://www.magmatex.imr.tohoku.ac.jp/web-content/research_contents/research_TMR.html|title=トンネル磁気抵抗効果|accessdate=2014-10-01|last=|first=|author=[[高梨弘毅]]|authorlink=|date=|year=|month=|format=|work=|publisher=[[東北大学]]|page=|pages=|quote=|language=|archiveurl=|archivedate=|doi=|ref=}}

== 外部リンク ==

== 注釈・出典 ==
===注釈===
{{Notelist}}
===出典===
{{Reflist|2}}

{{DEFAULTSORT:とんねるしきていこうこうか}}
[[Category:磁気デバイス]]
[[Category:スピントロニクス]]
[[Category:センサ]]
[[Category:計測機器]]